Aká je rýchlosť svetla? Prečo je rýchlosť svetla na vašich prstoch™ konštantná
> Rýchlosť svetla
Zistite, ktoré rýchlosť svetla vo vákuu je základná konštanta fyziky. Prečítajte si, čomu sa rovná rýchlosť šírenia svetla m/s, zákon, vzorec merania.
Rýchlosť svetla vo vákuu– jedna zo základných konštánt fyziky.
Učebný cieľ
- Porovnajte rýchlosť svetla s indexom lomu média.
Hlavné body
- Maximálny možný indikátor rýchlosti svetla je svetlo vo vákuu (nezmenené).
- C je symbol pre rýchlosť svetla vo vákuu. Dosahuje 299 792 458 m/s.
- Keď svetlo vstúpi do média, jeho rýchlosť sa spomalí v dôsledku lomu. Vypočítané pomocou vzorca v = c/n.
Podmienky
- Špeciálna rýchlosť svetla: zosúladenie princípu relativity a stálosti rýchlosti svetla.
- Index lomu je pomer rýchlosti svetla vo vzduchu/vákuu k inému médiu.
Rýchlosť svetla
Rýchlosť svetla funguje ako bod porovnania na definovanie niečoho ako extrémne rýchleho. Ale čo to je?
Svetelný lúč sa pohybuje zo Zeme na Mesiac za čas potrebný na prechod svetelného impulzu - 1,255 s pri priemernej obežnej vzdialenosti
Odpoveď je jednoduchá: hovoríme o rýchlosti fotónov a svetelných častíc. Aká je rýchlosť svetla? Rýchlosť svetla vo vákuu dosahuje 299 792 458 m/s. Toto je univerzálna konštanta použiteľná v rôznych oblastiach fyziky.
Zoberme si rovnicu E = mc 2 (E je energia a m je hmotnosť). Je to ekvivalent hmoty a energie, ktorý využíva rýchlosť svetla na spojenie priestoru a času. Tu môžete nájsť nielen vysvetlenie pre energiu, ale aj identifikovať prekážky rýchlosti.
Vlnová rýchlosť svetla vo vákuu sa aktívne využíva na rôzne účely. Napríklad špeciálna teória relativity tvrdí, že ide o prirodzené obmedzenie rýchlosti. Ale vieme, že rýchlosť závisí od média a lomu:
v = c/n (v je skutočná rýchlosť svetla prechádzajúceho prostredím, c je rýchlosť svetla vo vákuu a n je index lomu). Index lomu vzduchu je 1,0003 a rýchlosť viditeľného svetla je o 90 km/s pomalšia ako s.
Lorentzov koeficient
Rýchlo sa pohybujúce objekty vykazujú určité charakteristiky, ktoré sú v rozpore s pozíciou klasickej mechaniky. Rozširujú sa napríklad dlhé kontakty a čas. Zvyčajne sú tieto účinky minimálne, ale sú viditeľnejšie pri tak vysokých rýchlostiach. Lorentzov koeficient (γ) je faktor, pri ktorom dochádza k expanzii času a kontrakcii dĺžky:
y = (1 - v2/c2) -1/2 y = (1 - v2/c2) -1/2 y = (1 - v2/c2) -1/2.
Pri nízkych rýchlostiach sa v 2 /c 2 blíži k 0 a γ je približne = 1. Keď sa však rýchlosť priblíži k c, γ narastá do nekonečna.
epigraf
Učiteľka sa pýta: Deti, čo je najrýchlejšia vec na svete?
Tanechka hovorí: Najrýchlejšie slovo. Len som povedal, nevrátiš sa.
Vanechka hovorí: Nie, svetlo je najrýchlejšie.
Len čo som stlačil vypínač, miestnosť sa okamžite rozžiarila.
A Vovochka namieta: Najrýchlejšia vec na svete je hnačka.
Raz som bol taký netrpezlivý, že som nepovedal ani slovo
Nemal som čas nič povedať ani zapnúť svetlo.
Premýšľali ste niekedy nad tým, prečo je rýchlosť svetla v našom vesmíre maximálna, konečná a konštantná? Toto je veľmi zaujímavá otázka a hneď, ako spoiler, prezradím strašné tajomstvo odpovede na ňu - nikto presne nevie prečo. Odoberá sa rýchlosť svetla, t.j. duševne akceptovaný pre konštantu a na tomto postuláte, ako aj na myšlienke, že všetky inerciálne vzťažné sústavy sú rovnaké, Albert Einstein vybudoval svoju špeciálnu teóriu relativity, ktorá nasrala vedcov už sto rokov a umožnila Einsteinovi strčiť jazyk. von na svet beztrestne a v hrobe sa usmievať nad rozmermi prasaťa, ktoré nasadil celému ľudstvu.
Ale prečo je to vlastne také konštantné, také maximálne a také konečné, na to sa nedá odpovedať, toto je len axióma, t.j. tvrdenie prijaté na základe viery, potvrdené pozorovaniami a zdravým rozumom, ale nie je odkiaľkoľvek logicky ani matematicky odvoditeľné. A je dosť pravdepodobné, že to nie je až taká pravda, no nikto to zatiaľ nedokázal vyvrátiť žiadnou skúsenosťou.
Mám na túto záležitosť svoje vlastné myšlienky, o nich neskôr, ale teraz to zjednodušíme, na prstoch™ Pokúsim sa odpovedať aspoň na jednu časť - čo znamená rýchlosť svetla „konštantná“.
Nie, nebudem vás nudiť myšlienkovými pokusmi o tom, čo by sa stalo, keby ste v rakete letiacej rýchlosťou svetla rozsvietili svetlomety atď., to je teraz trochu mimo témy.
Ak sa pozriete do referenčnej knihy alebo Wikipédie, rýchlosť svetla vo vákuu je definovaná ako základná fyzikálna konštanta presne tak rovná 299 792 458 m/s. Teda, zhruba povedané, bude to asi 300 000 km/s, ale ak uplne spravne- 299 792 458 metrov za sekundu.
Zdalo by sa, odkiaľ pochádza taká presnosť? Akákoľvek matematická alebo fyzikálna konštanta, čokoľvek, dokonca aj Pi, dokonca aj základňa prirodzeného logaritmu e, dokonca aj gravitačná konštanta G alebo Planckova konštanta h, vždy nejaké obsahujú čísla za desatinnou čiarkou. V Pi je v súčasnosti známych asi 5 biliónov týchto desatinných miest (hoci len prvých 39 číslic má nejaký fyzikálny význam), gravitačná konštanta je dnes definovaná ako G ~ 6,67384(80)x10-11 a konštanta Plank h~ 6,62606957(29)x10-34.
Rýchlosť svetla vo vákuu je hladké 299 792 458 m/s, ani o centimeter viac, ani o nanosekundu menej. Chcete vedieť, odkiaľ pochádza táto presnosť?
Všetko to začalo ako zvyčajne u starých Grékov. Veda ako taká v modernom zmysle slova medzi nimi neexistovala. Filozofi starovekého Grécka sa nazývali filozofmi, pretože si najprv vymysleli nejaké svinstvo v hlave a potom sa to pomocou logických záverov (a niekedy aj skutočných fyzikálnych experimentov) snažili dokázať alebo vyvrátiť. Využitie fyzikálnych meraní a javov z reálneho života však považovali za dôkaz „druhej kategórie“, ktorý nemožno porovnávať s prvotriednymi logickými závermi získanými priamo z hlavy.
Za prvého človeka, ktorý uvažoval o existencii vlastnej rýchlosti svetla, sa považuje filozof Empidocles, ktorý uviedol, že svetlo je pohyb a pohyb musí mať rýchlosť. Namietal proti nemu Aristoteles, ktorý tvrdil, že svetlo je jednoducho prítomnosť niečoho v prírode, a to je všetko. A nič sa nikam nehýbe. Ale to je niečo iné! Euclid a Ptolemaios všeobecne verili, že svetlo vyžaruje naše oči a potom dopadá na predmety, a preto ich vidíme. Stručne povedané, starí Gréci boli takí hlúpi, ako mohli, kým ich neporazili tí istí starí Rimania.
V stredoveku väčšina vedcov naďalej verila, že rýchlosť šírenia svetla je nekonečná, medzi nimi boli povedzme Descartes, Kepler a Fermat.
Ale niektorí, ako Galileo, verili, že svetlo má rýchlosť, a preto sa dá merať. Všeobecne známy je experiment Galilea, ktorý zapálil lampu a dal svetlo asistentovi, ktorý sa nachádzal niekoľko kilometrov od Galilea. Keď asistent videl svetlo, rozsvietil lampu a Galileo sa pokúsil zmerať oneskorenie medzi týmito okamihmi. Prirodzene, neuspel a nakoniec bol nútený vo svojich spisoch napísať, že ak má svetlo rýchlosť, potom je extrémne vysoká a nedá sa zmerať ľudským úsilím, a preto ho možno považovať za nekonečné.
Prvé zdokumentované meranie rýchlosti svetla sa pripisuje dánskemu astronómovi Olafovi Roemerovi z roku 1676. V tomto roku astronómovia vyzbrojení ďalekohľadmi toho istého Galilea aktívne pozorovali satelity Jupitera a dokonca vypočítali ich rotačné periódy. Vedci zistili, že mesiac najbližšie k Jupiteru, Io, má rotačnú periódu približne 42 hodín. Roemer si však všimol, že niekedy sa Io objaví spoza Jupitera o 11 minút skôr, ako sa očakávalo, a niekedy o 11 minút neskôr. Ako sa ukázalo, Io sa objavuje skôr v tých obdobiach, keď sa Zem otáčajúca sa okolo Slnka približuje k Jupiteru na minimálnu vzdialenosť a zaostáva o 11 minút, keď je Zem na opačnom mieste obežnej dráhy, a teda je ďalej od Jupiter.
Hlúpym delením priemeru zemskej obežnej dráhy (a v tých časoch to už bolo viac-menej známe) 22 minútami dostal Roemer rýchlosť svetla 220 000 km/s, pričom skutočná hodnota mu chýbala asi o tretinu.
V roku 1729 anglický astronóm James Bradley pozoroval paralaxa(miernou odchýlkou v polohe) objavila hviezda Etamin (Gamma Draconis). aberácie svetla, t.j. zmena polohy k nám najbližších hviezd na oblohe v dôsledku pohybu Zeme okolo Slnka.
Z efektu svetelnej aberácie, ktorý objavil Bradley, možno tiež usúdiť, že svetlo má konečnú rýchlosť šírenia, ktorej sa Bradley chopil a vypočítal ju na približne 301 000 km/s, čo je už s presnosťou 1 % dnes známa hodnota.
Nasledovali všetky objasňujúce merania inými vedcami, ale keďže sa verilo, že svetlo je vlna a vlna sa nemôže šíriť sama o sebe, treba niečo „vzrušiť“, myšlienka existencie „ luminiferous ether“ vznikol, pri objavení ktorého americký fyzik Albert Michelson na plnej čiare zlyhal. Neobjavil žiadny svetielkujúci éter, ale v roku 1879 objasnil rýchlosť svetla na 299 910±50 km/s.
Približne v rovnakom čase Maxwell publikoval svoju teóriu elektromagnetizmu, čo znamená, že rýchlosť svetla bolo možné nielen priamo merať, ale aj odvodiť z hodnôt elektrickej a magnetickej permeability, čo bolo urobené objasnením hodnoty rýchlosť svetla na 299 788 km/s v roku 1907.
Nakoniec Einstein vyhlásil, že rýchlosť svetla vo vákuu je konštantná a nezávisí vôbec od ničoho. Naopak, všetko ostatné – sčítanie rýchlostí a nájdenie správnych referenčných sústav, vplyvy dilatácie času a zmien vzdialeností pri pohybe vysokou rýchlosťou a mnohé ďalšie relativistické efekty závisia od rýchlosti svetla (pretože je zahrnutá vo všetkých vzorcoch ako napr. konštanta). Stručne povedané, všetko na svete je relatívne a rýchlosť svetla je relatívne množstvo, ku ktorému sú relatívne všetky ostatné veci v našom svete. Tu by sme možno mali dať dlaň Lorentzovi, ale nebuďme obchodníci, Einstein je Einstein.
Presné určovanie hodnoty tejto konštanty pokračovalo počas celého 20. storočia, pričom každým desaťročím vedci nachádzali viac a viac čísla za desatinnou čiarkou rýchlosťou svetla, až sa v ich hlavách začali rodiť nejasné podozrenia.
Keď vedci čoraz presnejšie určovali, koľko metrov svetlo prejde vo vákuu za sekundu, začali sa pýtať, čo to vlastne meriame v metroch? Koniec koncov, meter je len dĺžka nejakej platino-irídiovej palice, ktorú niekto zabudol v nejakom múzeu pri Paríži!
A spočiatku sa myšlienka zavedenia štandardného merača zdala skvelá. Aby netrpeli yardmi, nohami a inými šikmými siahami, Francúzi sa v roku 1791 rozhodli vziať ako štandardnú mieru dĺžky jednu desaťmilióntinu vzdialenosti od severného pólu k rovníku pozdĺž poludníka prechádzajúceho Parížom. Zmerali túto vzdialenosť s presnosťou, ktorá bola v tom čase dostupná, odliali palicu zo zliatiny platina-irídium (presnejšie najprv mosadz, potom platina a potom platina-iridium) a vložili ju práve do tejto parížskej komory pre miery a váhy ako vzorka. Čím ďalej, tým viac sa ukazuje, že zemský povrch sa mení, kontinenty sa deformujú, meridiány sa posúvajú a o jednu desaťmilióntinu zabudli a začali počítať ako meter dĺžku palice. ktorá leží v krištáľovej rakve parížskeho „mauzólea“.
Takáto modloslužba nevyhovuje skutočnému vedcovi, toto nie je Červené námestie (!) a v roku 1960 bolo rozhodnuté zjednodušiť pojem metra na úplne zrejmú definíciu - meter sa presne rovná 1 650 763,73 vlnovým dĺžkam emitovaným prechodom elektrónov medzi energetickými hladinami 2p10 a 5d5 neexcitovaného izotopu prvku Kryptón-86 vo vákuu. No, o čo jasnejšie?
Takto to pokračovalo 23 rokov, kým sa rýchlosť svetla vo vákuu merala s narastajúcou presnosťou, až v roku 1983 konečne aj tí najtvrdohlavejší retrográdi zistili, že rýchlosť svetla je najpresnejšia a najideálnejšia konštanta, a nie nejaká. izotopu kryptónu. A bolo rozhodnuté obrátiť všetko hore nohami (presnejšie, ak o tom premýšľate, bolo rozhodnuté obrátiť všetko späť hore nohami), teraz rýchlosť svetla s je skutočná konštanta a meter je vzdialenosť, ktorú prejde svetlo vo vákuu za (1/299 792 458) sekundy.
Skutočná hodnota rýchlosti svetla sa dodnes objasňuje, no zaujímavé je, že pri každom novom experimente vedci neobjasňujú rýchlosť svetla, ale skutočnú dĺžku metra. A čím presnejšie sa zistí rýchlosť svetla v nasledujúcich desaťročiach, tým presnejší meter nakoniec získame.
A nie naopak.
No a teraz sa vráťme k našim ovečkám. Prečo je rýchlosť svetla vo vákuu nášho vesmíru maximálna, konečná a konštantná? Takto to chápem.
Každý vie, že rýchlosť zvuku v kove a takmer v akomkoľvek pevnom tele je oveľa vyššia ako rýchlosť zvuku vo vzduchu. To sa dá veľmi ľahko skontrolovať, stačí priložiť ucho na koľajnicu a zvuky približujúceho sa vlaku budete počuť oveľa skôr ako vzduchom. prečo je to tak? Je zrejmé, že zvuk je v podstate rovnaký a rýchlosť jeho šírenia závisí od prostredia, od konfigurácie molekúl, z ktorých sa toto médium skladá, od jeho hustoty, od parametrov jeho kryštálovej mriežky – skrátka od aktuálny stav média, cez ktoré sa zvuk prenáša.
A hoci myšlienka svietivého éteru je už dávno opustená, vákuum, ktorým sa šíria elektromagnetické vlny, nie je absolútne nič, bez ohľadu na to, aké prázdne sa nám môže zdať.
Chápem, že analógia je trochu pritiahnutá, ale je to tak na prstoch™ rovnaké! Presne ako prístupnú analógiu a v žiadnom prípade ako priamy prechod od jedného súboru fyzikálnych zákonov k iným vás žiadam, aby ste si predstavili, že rýchlosť šírenia elektromagnetických (a vo všeobecnosti akýchkoľvek, vrátane gluónových a gravitačných) vibrácií, rovnako ako rýchlosť zvuku v oceli je „všitá“ do koľajnice. Odtiaľ tancujeme.
UPD: Mimochodom, pozývam „čitateľov s hviezdičkou“, aby si predstavili, či rýchlosť svetla zostáva konštantná v „náročnom vákuu“. Napríklad sa verí, že pri energiách rádovo 10–30 K prestane vákuum jednoducho vrieť virtuálnymi časticami a začne „vrieť“, t.j. tkanina priestoru sa rozpadá na kusy, planckove veličiny sa rozmazávajú a strácajú svoj fyzikálny význam atď. Bola by rýchlosť svetla v takomto vákuu stále rovnaká c, alebo to bude znamenať začiatok novej teórie „relativistického vákua“ s korekciami, ako sú Lorentzove koeficienty pri extrémnych rýchlostiach? Neviem, neviem, čas ukáže...
Rýchlosť svetla v rôznych médiách sa výrazne líši. Problém je v tom, že ľudské oko ho nevidí v celom spektrálnom rozsahu. Povaha pôvodu svetelných lúčov zaujíma vedcov už od staroveku. Prvé pokusy o výpočet rýchlosti svetla sa uskutočnili už v roku 300 pred Kristom. Vtedy vedci určili, že vlna sa šíri v priamke.
Rýchla odozva
Podarilo sa im opísať matematickými vzorcami vlastnosti svetla a trajektóriu jeho pohybu. sa stal známym 2 tisíc rokov po prvom výskume.
Čo je to svetelný tok?
Svetelný lúč je elektromagnetická vlna kombinovaná s fotónmi. Fotóny sú chápané ako najjednoduchšie prvky, ktoré sa nazývajú aj kvantá elektromagnetického žiarenia. Svetelný tok vo všetkých spektrách je neviditeľný. Nepohybuje sa v priestore v tradičnom zmysle slova. Na opísanie stavu elektromagnetickej vlny s kvantovými časticami je zavedený koncept indexu lomu optického prostredia.
Svetelný tok sa prenáša v priestore vo forme lúča s malým prierezom. Metóda pohybu v priestore je odvodená geometrickými metódami. Ide o priamočiary lúč, ktorý sa na hranici s rôznymi médiami začína lámať a vytvára krivočiaru trajektóriu. Vedci dokázali, že maximálna rýchlosť vzniká vo vákuu, v iných prostrediach sa rýchlosť pohybu môže výrazne líšiť. Vedci vyvinuli systém, v ktorom je svetelný lúč a odvodená hodnota základom pre odvodenie a čítanie určitých jednotiek SI.
Niektoré historické fakty
Asi pred 900 rokmi Avicena navrhol, že bez ohľadu na nominálnu hodnotu má rýchlosť svetla konečnú hodnotu. Galileo Galilei sa pokúsil experimentálne vypočítať rýchlosť svetla. Pomocou dvoch bateriek sa experimentátori pokúsili zmerať čas, počas ktorého bude svetelný lúč z jedného objektu viditeľný na druhý. Ale takýto experiment sa ukázal ako neúspešný. Rýchlosť bola taká vysoká, že neboli schopní zistiť čas oneskorenia.
Galileo Galilei si všimol, že Jupiter mal medzi zatmeniami svojich štyroch satelitov interval 1320 sekúnd. Na základe týchto objavov vypočítal v roku 1676 dánsky astronóm Ole Roemer rýchlosť šírenia svetelného lúča na 222 tisíc km/s. V tom čase bolo toto meranie najpresnejšie, no nedalo sa overiť pozemskými normami.
Po 200 rokoch dokázala Louise Fizeau experimentálne vypočítať rýchlosť svetelného lúča. Vytvoril špeciálnu inštaláciu so zrkadlom a prevodovým mechanizmom, ktorý sa otáčal vysokou rýchlosťou. Svetelný tok sa odrážal od zrkadla a po 8 km sa vrátil späť. Pri zvyšovaní otáčok kolesa nastal moment, kedy prevodový mechanizmus zablokoval lúč. Rýchlosť lúča bola teda nastavená na 312 tisíc kilometrov za sekundu.
Foucault túto výbavu zdokonalil, znížil parametre výmenou prevodového mechanizmu za ploché zrkadlo. Jeho presnosť merania sa ukázala byť najbližšie k modernému štandardu a dosahovala 288 tisíc metrov za sekundu. Foucault sa pokúsil vypočítať rýchlosť svetla v cudzom médiu, pričom ako základ použil vodu. Fyzik bol schopný dospieť k záveru, že táto hodnota nie je konštantná a závisí od charakteristík lomu v danom médiu.
Vákuum je priestor bez hmoty. Rýchlosť svetla vo vákuu v systéme C sa označuje latinským písmenom C. Je nedosiahnuteľná. Žiadna položka sa nedá pretaktovať na takúto hodnotu. Fyzici si môžu len predstaviť, čo by sa s objektmi mohlo stať, ak by sa v takom rozsahu zrýchlili. Rýchlosť šírenia svetelného lúča má konštantné charakteristiky, je:
- konštantný a konečný;
- nedosiahnuteľné a nezmeniteľné.
Poznanie tejto konštanty nám umožňuje vypočítať maximálnu rýchlosť, ktorou sa môžu objekty pohybovať v priestore. Veľkosť šírenia svetelného lúča sa považuje za základnú konštantu. Používa sa na charakterizáciu časopriestoru. Toto je maximálna povolená hodnota pre pohybujúce sa častice. Aká je rýchlosť svetla vo vákuu? Aktuálna hodnota bola získaná laboratórnymi meraniami a matematickými výpočtami. Ona rovná 299 792 458 metrov za sekundu s presnosťou ± 1,2 m/s. V mnohých odboroch, vrátane školských, sa pri riešení problémov používajú približné výpočty. Ukazovateľ sa rovná 3 108 m/s.
Svetelné vlny vo viditeľnom spektre človeka a röntgenové vlny môžu byť zrýchlené na hodnoty blížiace sa rýchlosti svetla. Nemôžu sa rovnať tejto konštante ani prekročiť jej hodnotu. Konštanta bola odvodená na základe sledovania správania sa kozmického žiarenia v momente jeho zrýchlenia v špeciálnych urýchľovačoch. Závisí to od inerciálneho prostredia, v ktorom sa lúč šíri. Vo vode je priepustnosť svetla o 25 % nižšia a vo vzduchu bude závisieť od teploty a tlaku v čase výpočtov.
Všetky výpočty boli vykonané pomocou teórie relativity a zákona kauzality odvodeného Einsteinom. Fyzik sa domnieva, že ak objekty dosiahnu rýchlosť 1 079 252 848,8 kilometrov za hodinu a prekročia ju, tak v štruktúre nášho sveta nastanú nezvratné zmeny a systém sa rozpadne. Čas sa začne odpočítavať, čím sa naruší poradie udalostí.
Definícia metra je odvodená od rýchlosti svetelného lúča. Rozumie sa tým oblasť, ktorú svetelný lúč zvládne prejsť za 1/299792458 sekundy. Tento pojem by sa nemal zamieňať so štandardom. Merací štandard je špeciálne technické zariadenie na báze kadmia s tieňovaním, ktoré umožňuje fyzicky vidieť danú vzdialenosť.
Umelcovo znázornenie vesmírnej lode, ktorá preskočila na „rýchlosť svetla“. Poďakovanie: NASA/Glenn Research Center.
Od staroveku sa filozofi a vedci snažili pochopiť svetlo. Okrem toho, že sa snažili určiť jeho základné vlastnosti (t. j. či ide o časticu alebo vlnu atď.), snažili sa aj o konečné merania rýchlosti jej pohybu. Od konca 17. storočia to vedci robia presne a s narastajúcou presnosťou.
Získali tak lepšie pochopenie mechaniky svetla a toho, ako hrá dôležitú úlohu vo fyzike, astronómii a kozmológii. Jednoducho povedané, svetlo sa šíri neuveriteľnou rýchlosťou a je najrýchlejšie sa pohybujúcim objektom vo vesmíre. Jeho rýchlosť je stála a nepreniknuteľná bariéra a používa sa ako miera vzdialenosti. Ale ako rýchlo sa pohybuje?
Rýchlosť svetla (s):
Svetlo sa pohybuje konštantnou rýchlosťou 1 079 252 848,8 km/h (1,07 miliardy). Čo vyjde na 299 792 458 m/s. Dajme všetko na svoje miesto. Ak by ste mohli cestovať rýchlosťou svetla, mohli by ste obehnúť zemeguľu asi sedem a pol krát za sekundu. Medzitým by človeku letiacemu priemernou rýchlosťou 800 km/h trvalo viac ako 50 hodín, kým by obletela planétu.
Ilustrácia zobrazujúca vzdialenosť, ktorú svetlo prechádza medzi Zemou a Slnkom. Kredit: LucasVB/Public Domain.
Pozrime sa na to z astronomického hľadiska, priemerná vzdialenosť od do 384 398,25 km. Preto svetlo prejde túto vzdialenosť asi za sekundu. Medzitým je priemer 149 597 886 km, čo znamená, že svetlu trvá táto cesta len asi 8 minút.
Niet divu, prečo je rýchlosť svetla metrikou používanou na určenie astronomických vzdialeností. Keď povieme, že hviezda ako , je vzdialená 4,25 svetelných rokov, myslíme tým, že cesta konštantnou rýchlosťou 1,07 miliardy km/h by trvala asi 4 roky a 3 mesiace, kým by sa tam dostala. Ale ako sme dospeli k tejto veľmi špecifickej hodnote rýchlosti svetla?
História štúdia:
Až do 17. storočia boli vedci presvedčení, že svetlo sa šíri konečnou rýchlosťou alebo okamžite. Od čias starých Grékov až po stredovekých islamských teológov a moderných učencov sa vedú diskusie. Ale kým sa neobjavila práca dánskeho astronóma Ole Roemera (1644-1710), v ktorej sa uskutočnili prvé kvantitatívne merania.
V roku 1676 Römer pozoroval, že periódy najvnútornejšieho mesiaca Jupitera Io sa javili kratšie, keď sa Zem približovala k Jupiteru, ako keď sa vzďaľovala. Z toho dospel k záveru, že svetlo sa pohybuje konečnou rýchlosťou a odhaduje sa, že prekročenie priemeru obežnej dráhy Zeme trvá asi 22 minút.
Profesor Albert Einstein na 11. prednáške Josiaha Willarda Gibbsa na Carnegie Institute of Technology 28. decembra 1934, kde vysvetľuje svoju teóriu, že hmota a energia sú to isté v rôznych formách. Poďakovanie: AP Photo
Christiaan Huygens použil tento odhad a spojil ho s odhadom priemeru obežnej dráhy Zeme, aby dospel k odhadu 220 000 km/s. Isaac Newton tiež informoval o Roemerových výpočtoch vo svojom kľúčovom diele z roku 1706 Optika. Po úprave vzdialenosti medzi Zemou a Slnkom vypočítal, že svetlu bude trvať sedem alebo osem minút, kým prejde z jedného do druhého. V oboch prípadoch došlo k relatívne malej chybe.
Neskoršie merania francúzskych fyzikov Hippolyte Fizeau (1819-1896) a Léon Foucault (1819-1868) tieto údaje spresnili, čo viedlo k hodnote 315 000 km/s. A v druhej polovici 19. storočia si vedci uvedomili súvislosť medzi svetlom a elektromagnetizmom.
Dosiahli to fyzici meraním elektromagnetických a elektrostatických nábojov. Potom zistili, že číselná hodnota bola veľmi blízka rýchlosti svetla (ako ju nameral Fizeau). Na základe vlastnej práce, ktorá ukázala, že elektromagnetické vlny sa šíria v prázdnom priestore, nemecký fyzik Wilhelm Eduard Weber navrhol, že svetlo je elektromagnetické vlnenie.
Ďalší veľký zlom nastal na začiatku 20. storočia. Albert Einstein vo svojom článku s názvom „O elektrodynamike pohybujúcich sa telies“ uvádza, že rýchlosť svetla vo vákuu, meraná pozorovateľom s konštantnou rýchlosťou, je rovnaká vo všetkých inerciálnych referenčných sústavách a je nezávislá od pohybu telesa. zdroj alebo pozorovateľ.
Laserový lúč žiariaci cez pohár vody ukazuje, koľko zmien prechádza zo vzduchu do pohára do vody a späť do vzduchu. Poďakovanie: Bob King.
Na základe tohto tvrdenia a Galileovho princípu relativity ako základ odvodil Einstein špeciálnu teóriu relativity, v ktorej je rýchlosť svetla vo vákuu (c) základnou konštantou. Predtým bola medzi vedcami dohoda, že priestor je vyplnený „svetelným éterom“, ktorý bol zodpovedný za jeho šírenie – t.j. svetlo pohybujúce sa cez pohybujúce sa médium sa bude ťahať v chvoste média.
To zase znamená, že nameraná rýchlosť svetla by bola jednoduchým súčtom jeho rýchlosti cez médium plus rýchlosti tohto média. Einsteinova teória však urobila koncept stacionárneho éteru zbytočným a zmenila koncept priestoru a času.
Nielenže presadila myšlienku, že rýchlosť svetla je rovnaká vo všetkých inerciálnych sústavách, ale tiež naznačila, že veľké zmeny nastanú, keď sa veci pohybujú blízko rýchlosti svetla. Patrí medzi ne časopriestorový rámec pohybujúceho sa telesa, ktorý sa zdá byť spomalený, a smer pohybu, keď je meranie z pohľadu pozorovateľa (t. j. relativistická dilatácia času, kde sa čas spomaľuje, keď sa blíži rýchlosti svetla) .
Jeho pozorovania tiež súhlasia s Maxwellovými rovnicami pre elektrinu a magnetizmus so zákonmi mechaniky, zjednodušujú matematické výpočty tým, že sa vyhýbajú nesúvisiacim argumentom iných vedcov a sú v súlade s priamym pozorovaním rýchlosti svetla.
Ako podobné sú si hmota a energia?
V druhej polovici 20. storočia stále presnejšie merania pomocou laserových interferometrov a rezonančných dutín ďalej spresňovali odhady rýchlosti svetla. V roku 1972 skupina v americkom národnom úrade pre štandardy v Boulderi v Colorade použila laserovú interferometriu na dosiahnutie aktuálne akceptovanej hodnoty 299 792 458 m/s.
Úloha v modernej astrofyzike:
Einsteinova teória, že rýchlosť svetla vo vákuu nezávisí od pohybu zdroja a inerciálnej vzťažnej sústavy pozorovateľa, bola odvtedy vždy potvrdená mnohými experimentmi. Stanovuje tiež hornú hranicu rýchlosti, ktorou sa všetky bezhmotné častice a vlny (vrátane svetla) môžu pohybovať vo vákuu.
Jedným z výsledkov toho je, že kozmológie teraz vidia priestor a čas ako jedinú štruktúru známu ako časopriestor, v ktorej možno rýchlosť svetla použiť na určenie hodnoty oboch (t. j. svetelných rokov, svetelných minút a svetelných sekúnd). Meranie rýchlosti svetla môže byť tiež dôležitým faktorom pri určovaní zrýchlenia rozpínania vesmíru.
Začiatkom 20. rokov 20. storočia si vďaka pozorovaniam Lemaîtra a Hubblea vedci a astronómovia uvedomili, že vesmír sa od svojho vzniku rozširuje. Hubble si tiež všimol, že čím ďalej je galaxia, tým rýchlejšie sa pohybuje. To, čo sa dnes nazýva Hubbleova konštanta, je rýchlosť, ktorou sa vesmír rozširuje, rovná sa 68 km/s za megaparsek.
Ako rýchlo sa vesmír rozširuje?
Tento jav prezentovaný ako teória znamená, že niektoré galaxie sa môžu v skutočnosti pohybovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla, čo by mohlo obmedziť to, čo pozorujeme v našom vesmíre. Galaxie, ktoré sa pohybujú rýchlejšie ako rýchlosť svetla, by v podstate prekročili „obzor kozmologických udalostí“, kde už nie sú pre nás viditeľné.
Okrem toho v 90. rokoch merania červeného posunu vzdialených galaxií ukázali, že expanzia vesmíru sa za posledných niekoľko miliárd rokov zrýchľuje. To viedlo k teórii „temnej energie“, kde neviditeľná sila poháňa expanziu samotného priestoru, a nie predmety, ktoré sa ním pohybujú (bez obmedzenia rýchlosti svetla alebo narušenia relativity).
Spolu so špeciálnou a všeobecnou teóriou relativity sa moderná hodnota rýchlosti svetla vo vákuu vyvinula z kozmológie, kvantovej mechaniky a štandardného modelu časticovej fyziky. Zostáva konštantná, pokiaľ ide o hornú hranicu, pri ktorej sa môžu bezhmotné častice pohybovať, a zostáva nedosiahnuteľnou bariérou pre častice s hmotnosťou.
Pravdepodobne raz nájdeme spôsob, ako prekročiť rýchlosť svetla. Aj keď nemáme žiadne praktické predstavy o tom, ako by sa to mohlo stať, zdá sa, že „inteligentné peniaze“ v technológii nám umožnia obísť zákony časopriestoru, a to buď vytvorením warp bublín (aka. Alcubierre warp drive) alebo tunelovaním cez ne (aka. červie diery).
Čo sú to červie diery?
Dovtedy sa jednoducho budeme musieť uspokojiť s Vesmírom, ktorý vidíme, a držať sa skúmania časti, ktorú možno dosiahnuť konvenčnými metódami.
Názov článku, ktorý čítate "Aká je rýchlosť svetla?".
Na väčšine diaľnic je povolená rýchlosť od 90 do 110 kilometrov. Aj keď vo vesmírnom priestore nie sú žiadne dopravné značky, aj tam je obmedzená rýchlosť - to je 108 000 000 kilometrov za hodinu.
Najvyššia rýchlosť v prírode
Toto je najrýchlejšia rýchlosť svetla v prírode. Vedci zvyčajne udávajú rýchlosť svetla v kilometroch za sekundu - 300 000 kilometrov za sekundu. Svetlo pozostáva z fotónov. Práve oni dokážu lietať takou šialenou rýchlosťou.
Zvláštne častice - fotóny
Vedci nazývajú fotóny časticami. Ale sú to veľmi zvláštne častice. Nemajú žiadnu kľudovú hmotu, to znamená, že v bežnom zmysle nemajú žiadnu váhu. Je ťažké si predstaviť niečo také skutočné, čo by bola čistá energia a neobsahovalo by jediné zrnko hmoty. Fotóny sú taká realita. porovnajte maximálnu rýchlosť fotónov s rýchlosťami, ktoré sme zvyknutí považovať za vysoké.
Kozmická loď letiaca rýchlosťou svetla by pre vonkajšieho pozorovateľa nemala lineárne rozmery. Vezmime si napríklad raketu Pioneer, postavenú na prelet mimo slnečnej sústavy. Po opustení slnečnej sústavy mal Pioneer rýchlosť 60 kilometrov za sekundu. Nie zlé! Dokázal prekonať vzdialenosť z New Yorku do San Francisca za jeden a pol minúty. V porovnaní s rýchlosťou fotónu 300 000 kilometrov za sekundu však rýchlosť Pioneera vyzerá ako slimačie tempo. Alebo sa pozrime, ako rýchlo sa Slnko pohybuje vesmírom.
Súvisiace materiály:
Prečo hviezdy svietia?
Ale v čase, keď čítate túto vetu, sa Slnko, Zem a ďalších osem planét našej slnečnej sústavy rútia okolo Mliečnej dráhy ako kolotočové kone rýchlosťou 230 kilometrov za sekundu (v tom istom čase ani si nevšimneme, že letíme takou neuveriteľnou rýchlosťou). Ale táto obrovská rýchlosť je veľmi malá v porovnaní s rýchlosťou svetla a predstavuje asi jedno percento.
Rýchlosť svetla a predmetov
Ak zrýchlite obyčajný objekt približne na rýchlosť svetla, začnú sa s ním diať neobyčajné dobrodružstvá. Keď teleso dosiahne takéto rýchlosti, pozorovateľ si všimne zmenu v lineárnych rozmeroch a hmotnosti objektu. Aj čas sa začne meniť. Vesmírna loď pohybujúca sa rýchlosťou 90 percent rýchlosti svetla sa zmenší asi o polovicu. So zvyšujúcou sa rýchlosťou bude stále viac a viac klesať, až keď dosiahne rýchlosť svetla, úplne stratí svoje lineárne rozmery.
